鄭世倫，李 鴻，梁旭之，王云進(jìn)，劉 斌，王火明

(1.貴州省遵義市公路局，貴州 遵義 563100；2.中機(jī)中聯(lián)工程有限公司，重慶 400039；3.山區(qū)道路工程與防災(zāi)減災(zāi)技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，重慶 400067)

道路基層是位于路面面層下方的主要承重結(jié)構(gòu)層，既承受路面上部荷載，又向下部結(jié)構(gòu)擴(kuò)散荷載。因此，道路基層應(yīng)具有足夠的力學(xué)性能來實(shí)現(xiàn)其結(jié)構(gòu)功能。水泥穩(wěn)定碎石作為常用的半剛性道路基層材料，具有強(qiáng)度高、整體性好、水穩(wěn)定性強(qiáng)和耐久性好等技術(shù)特點(diǎn)[1-5]，主要由水泥、集料等多種材料混合而成，而拌和方式則是制備過程中不可缺少的工藝步驟。

研究認(rèn)為，拌和方式對(duì)于水泥穩(wěn)定碎石混合料各項(xiàng)力學(xué)性能具有一定影響[4]。不同的拌和方法影響混合料攪拌的均勻性、團(tuán)聚現(xiàn)象和水泥水化的充分性，從而使制備的水泥穩(wěn)定碎石產(chǎn)生了不同的性能表現(xiàn)[6-8]。水泥穩(wěn)定碎石的拌和方式主要有靜力拌和、順序拌和、振動(dòng)拌和等。其中,靜力拌和方式是使混合料產(chǎn)生軸向、徑向的運(yùn)動(dòng)，順序拌和主要針對(duì)拌和原材料的添加順序而提出，振動(dòng)拌和則是利用拌和設(shè)備改變混合料拌和機(jī)制，使混合料產(chǎn)生對(duì)流、擴(kuò)散等運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)拌和的一種方式[4，9-12]。

振動(dòng)拌和方式對(duì)水泥穩(wěn)定碎石性能影響的研究多側(cè)重于振動(dòng)拌和對(duì)水泥穩(wěn)定碎石抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度等單一性能的影響方面[13-14]，對(duì)水泥穩(wěn)定碎石的穩(wěn)定性、耐久性等性能影響的研究較少，尤其是振動(dòng)拌和與其他拌和方式對(duì)這些性能具體影響程度的對(duì)比分析更少[15-16]。為此，本研究擬采用室內(nèi)振動(dòng)拌和設(shè)備，對(duì)比研究不同拌和方式下水泥穩(wěn)定碎石材料的力學(xué)及路用性能，并重點(diǎn)分析振動(dòng)拌和方式的影響。

1 材料

本次研究所用材料主要為水泥、水、集料等。其中，水泥為普通硅酸鹽水泥，性能符合相關(guān)規(guī)范要求；水為自來水。

1.1 集料

本次采用重慶市銅梁區(qū)某公司生產(chǎn)的石灰?guī)r，粗集料規(guī)格為5 mm～10 mm、10 mm～20 mm、20 mm～30 mm，細(xì)集料規(guī)格為0～5 mm，粗、細(xì)集料技術(shù)指標(biāo)如表1所示，各檔集料篩分結(jié)果如表2所示。其中，試驗(yàn)方法主要參照J(rèn)TG E42—2005《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》[17]與JTG E40—2007《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》[18]。

表1 粗、細(xì)集料技術(shù)指標(biāo)

表2 單檔集料篩分結(jié)果

1.2 混合料配合比

本文試驗(yàn)研究中，振動(dòng)拌和與靜力拌和的材料組成參數(shù)設(shè)計(jì)結(jié)果如表3、表4所示。

表3 最佳含水量與最大干密度

表4 最佳含水量與最大干密度

2 試驗(yàn)方案

采用室內(nèi)振動(dòng)拌和方式進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)比研究振動(dòng)拌和與靜力拌和對(duì)水泥穩(wěn)定碎石混合料各項(xiàng)性能的影響，試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)如表5所示。其中，測(cè)試方法主要參考JTG E51—2019《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》[19]，養(yǎng)生齡期、性能指標(biāo)要求主要參考JTG/T F20—2015《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》[20]。

表5 試驗(yàn)方案

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

本研究通過2種拌和方式、3個(gè)水泥劑量，各成型9個(gè)試件進(jìn)行7 d齡期無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表6和圖1所示。

從表6試驗(yàn)數(shù)據(jù)看到，水泥用量相同時(shí)，振動(dòng)拌和成型試件的7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度普遍高于靜力拌和。不同水泥用量下，振動(dòng)拌和大約可提高水泥穩(wěn)定碎石7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度20%～30%，提升的效果較為顯著。

表6 7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

由圖1可知，靜力拌和需采用4.5%水泥劑量才能滿足JTG/T F20—2015《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》[20]的要求，而振動(dòng)拌和只需3.5%的水泥劑量就可以滿足要求，即采用相同的水泥用量，振動(dòng)拌和方式可明顯提高水泥穩(wěn)定碎石材料的7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，從經(jīng)濟(jì)效益角度，振動(dòng)拌和方式可節(jié)省工程材料成本，更經(jīng)濟(jì)。

圖1 不同拌和方式7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度對(duì)比

不同拌和方式下無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果的變異系數(shù)如圖2所示。由圖2可見，振動(dòng)拌和3.5%、4.0%、4.5%水泥劑量試件的強(qiáng)度變異系數(shù)較靜力拌和方式低1%～3%，說明振動(dòng)拌和制備的水泥穩(wěn)定碎石試件，其平行試驗(yàn)強(qiáng)度的差異性更小，強(qiáng)度穩(wěn)定性更好。由此可見，振動(dòng)攪拌可提升混合料攪拌的均勻性，使原材料在混合反應(yīng)時(shí)更分散，混合料分布更均勻。

圖2 不同拌和方式的變異系數(shù)

3.2 間接拉伸強(qiáng)度

本次研究測(cè)試了90 d齡期試件的間接抗拉強(qiáng)度，試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。其中試件所用水泥劑量為4%。

表7 間接拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

由表7可知，相比靜力拌和，振動(dòng)拌和方式試件間接抗拉強(qiáng)度、代表值分別提高了34.5%、39.1%。由此可見，振動(dòng)拌和方式可有效提高水穩(wěn)材料的間接拉伸強(qiáng)度。

3.3 粘聚力與內(nèi)摩擦角

一般情況下，細(xì)集料的細(xì)料部分對(duì)粗集料的裹覆作用決定了混合料粘聚力的大小，而其內(nèi)摩阻力則主要由相鄰集料間發(fā)生的嵌擠作用所產(chǎn)生。由表5與表6中混合料間接抗拉強(qiáng)度與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度代表值的數(shù)據(jù)結(jié)果可計(jì)算出水泥劑量為4%時(shí)各拌和方式的粘聚力和內(nèi)摩擦角的大小，如表8所示。

表8 不同拌和方式的粘聚力和內(nèi)摩擦角

若采用莫爾強(qiáng)度理論對(duì)水穩(wěn)材料性能分析研究，由莫爾理論可知，抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度與內(nèi)摩擦角、粘聚力的關(guān)系如公式(1)、(2)所示：

(1)

(2)

由表8數(shù)據(jù)可知，振動(dòng)拌和相比靜力拌和制備的水穩(wěn)試件，其內(nèi)摩擦角小于靜力拌和制備的試件。將φ靜=64.6°和φ振=62.9°分別代入公式(1)、(2)中，當(dāng)粘聚力c=0.509不變時(shí)，R靜=4.52 MPa，R振=4.22 MPa，r靜=0.229 MPa，r振=0.245 MPa，即振動(dòng)拌和制備的試件其抗壓強(qiáng)度較靜力拌和的略低，振動(dòng)拌和制備的試件其劈裂抗拉強(qiáng)度較靜力拌和的略高。將c靜=0.509 MPa、c振=0.663 MPa代入公式(1)、(2)中，當(dāng)內(nèi)摩擦角φ=64.6°不變時(shí)，R靜=4.52 MPa，R振=5.88 MPa，r靜=0.229 MPa，r振=0.299 MPa，即振動(dòng)拌和制備的試件其抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度均高出靜力拌和制備試件的30%左右。

這2個(gè)試驗(yàn)結(jié)果充分說明：

1)振動(dòng)拌和方式減小了水泥顆粒的團(tuán)聚作用，使水泥顆粒更分散，攪拌更均勻，對(duì)集料的裹覆性更好。同時(shí)，在填充、壓實(shí)過程中，振動(dòng)拌和使混合料間嵌擠結(jié)構(gòu)形成難度增大，從而導(dǎo)致其內(nèi)摩擦角有所降低。

2)粘聚力不變時(shí)，振動(dòng)拌和下水穩(wěn)材料抗壓強(qiáng)度小幅降低，這正是混合料間嵌擠作用減弱所引起。但試驗(yàn)結(jié)果顯示，最終振動(dòng)拌和抗壓強(qiáng)度仍高于靜力拌和，主因是混合料粘聚力大幅增長(zhǎng)。而振動(dòng)拌和使水穩(wěn)材料劈裂抗拉強(qiáng)度增長(zhǎng)，則與混合料間嵌擠作用減弱和粘聚力增大均有關(guān)。

3.4 彎拉強(qiáng)度試驗(yàn)

本次研究分別測(cè)試了90 d齡期時(shí)，2種拌和方式成型9組試件的抗彎拉強(qiáng)度，試驗(yàn)結(jié)果如表9所示。

表9 不同拌和方式的彎拉強(qiáng)度

整體來看，振動(dòng)拌和使水穩(wěn)材料彎拉強(qiáng)度比靜力拌和的彎拉強(qiáng)度代表值提高了27.1%，強(qiáng)度提高顯著，但振動(dòng)拌和的變異系數(shù)明顯小于靜力拌和，即振動(dòng)拌和對(duì)混合料的攪拌試驗(yàn)更加穩(wěn)定、可靠。彎拉強(qiáng)度的提升一定程度上緩解了水穩(wěn)基層的疲勞開裂，減少了瀝青面層的反射裂縫。因此，振動(dòng)拌和工藝在工程中的應(yīng)用更加廣泛。

3.5 干縮性能試驗(yàn)

分別測(cè)試了試件1 d～28 d的失水率、干縮量及干縮系數(shù)，試驗(yàn)結(jié)果如表10所示。為了便于分析齡期與試件失水率、干縮量及干縮系數(shù)的關(guān)系，根據(jù)表10繪制曲線圖，如圖3～圖5所示。

圖5 干縮系數(shù)與齡期的關(guān)系

表10 干縮試驗(yàn)結(jié)果

由圖3可知，2種拌和方式的失水率、累積失水率曲線高度重合。其中，失水率在7 d齡期內(nèi)下降較為顯著，后期下降較為緩慢。2種拌和方式制備的試件失水率在前期有一定差異，但當(dāng)齡期為28 d時(shí)，兩者幾乎一致，且此時(shí)累積失水率僅相差0.1%。因此可以認(rèn)為，水穩(wěn)材料的失水率基本不受這2種拌和方式的影響。

(a)失水率

由圖4可知，2種拌和方式成型的水穩(wěn)碎石試件的干縮量隨齡期的變化趨勢(shì)基本一致，呈先增大后減小的趨勢(shì)，干縮量在7 d齡期內(nèi)的變化較為明顯，之后趨于平穩(wěn)，且均在4 d達(dá)到峰值。對(duì)比2種拌和方式的累積干縮量可知，靜力拌和方式水穩(wěn)碎石試件的干縮量要明顯高于振動(dòng)拌和的，且高19%。

(a)干縮量

由圖5可知，2種拌和方式下水穩(wěn)碎石試件的干縮系數(shù)在7 d齡期內(nèi)增大較為顯著，后期變化緩慢。對(duì)比2種拌和方式的干縮系數(shù)可知，當(dāng)齡期較短時(shí)，2種拌和方式制備的水穩(wěn)材料干縮系數(shù)增長(zhǎng)較快，而當(dāng)齡期大于7 d后，干縮系數(shù)的變化較小，且靜力拌和方式下試件的干縮系數(shù)也明顯高于振動(dòng)拌和制備試件的干縮系數(shù)。

綜上對(duì)比分析，在失水率相差不大的情況下，振動(dòng)拌和工藝可明顯降低水泥穩(wěn)定碎石材料的干縮量、干縮系數(shù)，從而降低水穩(wěn)基層的早期干縮開裂幾率。

3.6 溫縮性能試驗(yàn)

分別測(cè)試了在20 ℃～10 ℃、10 ℃～0 ℃、0 ℃～-10 ℃、-10 ℃～-20 ℃溫度變化區(qū)間試件的溫縮系數(shù)，試驗(yàn)結(jié)果如表11和圖6所示。

從圖6可知，2種拌和方式成型的水穩(wěn)試件溫縮系數(shù)在不同溫度變化區(qū)間的變化趨勢(shì)基本相同，且均在0 ℃～10 ℃溫度區(qū)間，溫縮系數(shù)急劇增大，隨之出現(xiàn)峰值。由表11可知，振動(dòng)拌和水穩(wěn)料的溫縮系數(shù)明顯小于靜力拌和的，相差約22.7%，峰值相差17.3%。這一試驗(yàn)結(jié)果表明，振動(dòng)拌和方式能有效改善水穩(wěn)碎石的溫縮性能，減少溫縮開裂，但從溫縮系數(shù)的峰值及溫度變化區(qū)間可知，振動(dòng)拌和水穩(wěn)碎石施工時(shí)必須注意環(huán)境溫差(尤其是冬季)對(duì)施工的影響。

表11 溫縮試驗(yàn)結(jié)果 ×10-6/℃

圖6 溫縮系數(shù)

綜上分析，振動(dòng)拌和提升了攪拌均勻性，提高了水穩(wěn)材料抗壓強(qiáng)度，降低了干縮、溫縮系數(shù)等。振動(dòng)攪拌過程中增加了一定的振動(dòng)頻率，既減少了混合料的團(tuán)聚現(xiàn)象，使原材料在混合后能更加均勻地分散，使相鄰混合料間嵌擠作用更強(qiáng)，又增大了水泥與水分子間接觸的頻率，使其能產(chǎn)生更好的水化效果，生成更多的水化產(chǎn)物并更穩(wěn)定地附著于集料表面，形成更密實(shí)的骨架結(jié)構(gòu)。因此，振動(dòng)拌和與靜力拌和相比，幾乎能全面性地提升水穩(wěn)材料性能[13,16]。

4 結(jié)論

本研究在室內(nèi)對(duì)比研究了振動(dòng)拌和與靜力拌和水泥穩(wěn)定碎石混合料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、間接抗拉強(qiáng)度、彎拉強(qiáng)度、干溫縮試驗(yàn)以及抗沖刷試驗(yàn)等，主要得到以下結(jié)論：

1)相比靜力拌和，振動(dòng)拌和提高了水泥穩(wěn)定碎石無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、抗彎拉強(qiáng)度20%～30%、間接抗拉強(qiáng)度30%～40%，且在同一抗壓強(qiáng)度時(shí)，振動(dòng)拌和較靜力拌和節(jié)約1%水泥用量，可大幅節(jié)省材料成本。

2)振動(dòng)拌和可降低水泥穩(wěn)定碎石強(qiáng)度性能試驗(yàn)變異系數(shù)1%～2%，可充分改善混合料攪拌的均勻性，使混合料力學(xué)性能更加穩(wěn)定。

3)振動(dòng)拌和方式雖不能減小水穩(wěn)材料的失水率，但可以使其28 d干縮量、干縮系數(shù)下降20%，可有效防止水穩(wěn)材料干縮。

4)振動(dòng)拌和與靜力拌和制備的水穩(wěn)材料雖在各溫度區(qū)間變化趨勢(shì)類似，但整體溫縮系數(shù)相差約20%，振動(dòng)拌和更有利于減少水穩(wěn)材料溫縮開裂，但同時(shí)需注意環(huán)境溫差過大對(duì)施工質(zhì)量的影響。